تصميم التبريد الحراري لأجهزة الإمداد بالطاقة

نعلم جميعًا أن الإدارة الحرارية هي جانب مهم من جوانب إدارة الطاقة. يحتاج إلى إبقاء المكونات والأنظمة ضمن حدود درجة الحرارة. تبدأ الحلول السلبية بمبددات حرارة وأنابيب حرارية ، ويمكن أن تستخدم مراوح للتبريد النشط لتعزيز تأثير التبريد.

يسمح مستوى المكون ونمذجة نظام مستوى المنتج النهائي للمصممين بإجراء تحليل تقريبي من الدرجة الأولى لاستراتيجية التبريد. يمكن أن يؤدي استخدام ديناميكيات الموائع الحسابية لإجراء مزيد من التحليل إلى فهم كامل لحالة الحرارة الكلية وتأثير التغييرات في استراتيجية التبريد. تتضمن جميع حلول الإدارة الحرارية مقايضات في الحجم والطاقة والكفاءة والوزن والموثوقية والتكلفة ، ويجب تقييم أولويات وقيود المشروع.

تتبع جميع حلول الإدارة الحرارية المبادئ الأساسية للفيزياء. في وضع التبريد ، هناك ثلاث طرق للتوصيل الحراري: الإشعاع والتوصيل والحمل الحراري

بالنسبة لمعظم الأنظمة الإلكترونية ، فإن التبريد المطلوب لتحقيقه هو ترك الحرارة تغادر مصدر الحرارة المباشر عن طريق التوصيل ، ثم نقلها إلى أماكن أخرى عن طريق الحمل الحراري. يتمثل التحدي في التصميم في الجمع بين أجهزة الإدارة الحرارية المختلفة لتحقيق التوصيل والحمل الحراري المطلوبين بشكل فعال. هناك ثلاثة عناصر تبريد شائعة الاستخدام: المبرد وأنبوب الحرارة والمروحة. المشعات وأنابيب الحرارة عبارة عن أنظمة تبريد سلبية بدون مصدر طاقة ، والتي تتضمن أيضًا طرق التوصيل والحمل المستحث بشكل طبيعي. في المقابل ، المروحة عبارة عن نظام تبريد هواء قسري نشط.

تبريد غرفة التبريد:

المبدد الحراري عبارة عن هيكل من الألومنيوم أو النحاس ، يمكنه الحصول على الحرارة من مصدر الحرارة من خلال التوصيل ونقل الحرارة إلى تدفق الهواء (في بعض الحالات ، إلى الماء أو سوائل أخرى) لتحقيق الحمل الحراري. تأتي المشعات بآلاف الأحجام والأشكال ، بدءًا من الزعانف المعدنية المختومة الصغيرة التي تربط ترانزستورًا واحدًا إلى البثق الكبير مع العديد من الزعانف التي يمكنها اعتراض ونقل الحرارة إلى تدفق الهواء بالحمل الحراري.

تتمثل إحدى مزايا المبدد الحراري في عدم وجود أجزاء متحركة ولا تكاليف تشغيل ولا أوضاع أعطال. بمجرد توصيل مشد حرارة بحجم مناسب بمصدر الحرارة ، مع ارتفاع الهواء الدافئ ، سيحدث الحمل الحراري بشكل طبيعي ، ويبدأ ويستمر في تكوين تدفق الهواء. لذلك ، فإن هذه المزايا مهمة جدًا عند استخدام المبدد الحراري لتوفير تدفق هواء سلس بين مدخل ومخرج مصدر الحرارة. علاوة على ذلك ، يجب أن يكون المدخل أسفل المبرد وأن يكون المخرج أعلى ؛ خلاف ذلك ، سوف يتجمد الهواء الساخن على مصدر الحرارة ، مما سيزيد الوضع سوءًا.

مضيفا أنابيب الحرارة:

تتمثل وظيفة أنبوب الحرارة في امتصاص الحرارة من مصدر الحرارة ونقلها إلى المنطقة الأكثر برودة ، ولكنها في حد ذاتها لا تعمل كمبرد. عندما لا توجد مساحة كافية بالقرب من مصدر الحرارة لوضع المبرد أو عندما يكون تدفق الهواء غير كافٍ ، يمكن استخدام أنبوب الحرارة. يتميز أنبوب الحرارة بكفاءة عالية ويمكنه نقل الحرارة من المصدر إلى مكان أكثر ملاءمة للإدارة.

إضافة مروحة تبريد:

من الواضح أن المراوح ستزيد التكاليف وتتطلب مساحة وتزيد من ضوضاء النظام. كجهاز كهروميكانيكي ، فإن المروحة أيضًا عرضة للفشل ، مما يستهلك الطاقة ويؤثر على كفاءة النظام بأكمله. ومع ذلك ، في كثير من الحالات ، خاصةً عندما يكون مسار تدفق الهواء منحنيًا أو رأسيًا أو مسدودًا ، فعادة ما تكون الطريقة الوحيدة للحصول على تدفق هواء كافٍ. تستخدم العديد من التطبيقات مراوح يتم التحكم فيها حراريًا تعمل فقط عند الحاجة لتقليل السرعة ، وبالتالي تقليل استهلاك الطاقة ، واستخدام شفرات تقلل الضوضاء عند سرعة التشغيل المثلى.

النمذجة والمحاكاة الحرارية:

تعد النمذجة والمحاكاة ضرورية لاستراتيجية إدارة حرارية فعالة لتحديد مقدار هواء التبريد المطلوب وكيفية تحقيق التبريد. يمكن ضبط حجم تدفق الهواء عبر مصادر الحرارة المختلفة للحفاظ على درجة حرارته أقل من الحد المسموح به. باستخدام درجة حرارة الهواء ، والتدفق المتاح لتدفق الهواء غير القسري ، وتدفق هواء المروحة وعوامل أخرى للحسابات الأساسية ، يمكننا فهم حالة درجة الحرارة تقريبًا.

من خلال إجراء بعض التعديلات ، يمكن للمصممين معرفة ما إذا كانت المنافذ الهوائية الكبيرة تتطلب المزيد من الهواء ، وتحديد ما إذا كانت مسارات تدفق الهواء الأخرى أكثر فعالية ، وتحديد الاختلافات في استخدام مشعات أكبر أو مختلفة ، والتحقق من استخدام الأنابيب الحرارية لتحريك النقاط الساخنة ، وما إلى ذلك. يمكن لحزم برامج نمذجة CFD إنشاء بيانات جدولية وصور ملونة لتبديد الحرارة. من السهل أيضًا تصميم التغييرات في حجم المروحة وتدفق الهواء والموضع.

إدارة الطاقة أيضًا الإدارة الحرارية ، خاصةً كيف سيؤثر تبريد الوظائف المتعلقة بالطاقة على التصميم الحراري وتراكم الحرارة. بالإضافة إلى ذلك ، حتى إذا استمرت المكونات والأنظمة في العمل ضمن نطاق المواصفات ، فإن زيادة درجة الحرارة ستؤدي إلى تغييرات في الأداء مع تغيير معلمات المكون. يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة أيضًا إلى تقصير عمر المكونات وبالتالي تقصير متوسط ​​الوقت بين حالات الفشل ، وهو أيضًا عامل يجب مراعاته لضمان الموثوقية على المدى الطويل.